【摘 要】
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工业的快速发展导致化石能源消耗严重,开发新型能源已成为全球亟待解决的问题。作为化石能源的可靠替代品,锌-空气电池（ZABs）因高能量密度、高安全性、低成本而被广泛研究。氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）作为锌-空气电池中两个基本的半反应,分别在其放电和充电过程中起着重要的作用。然而,氧还原和氧析出过程的缓慢动力学限制了其实际应用。目前,使用较多的贵金属催化剂（如Pt或Ru基催化剂）虽然具有
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工业的快速发展导致化石能源消耗严重,开发新型能源已成为全球亟待解决的问题。作为化石能源的可靠替代品,锌-空气电池（ZABs）因高能量密度、高安全性、低成本而被广泛研究。氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）作为锌-空气电池中两个基本的半反应,分别在其放电和充电过程中起着重要的作用。然而,氧还原和氧析出过程的缓慢动力学限制了其实际应用。目前,使用较多的贵金属催化剂（如Pt或Ru基催化剂）虽然具有较高的催化活性,但它们的大规模实际应用仍然受到稀缺性、高成本和稳定性差等因素的极大限制。因此,开发用于ORR和OER的高稳定性非贵金属电催化剂成为解决其实际应用的有效方案之一。金属有机骨架（MOFs）近年来得到广泛研究,因为它是优秀的纳米材料前驱体,可为催化剂提供所需组成、高比表面积及孔隙率。因此,本论文主要制备出两种MOFs衍生的非贵金属催化剂,并研究了其结构、性能及其在锌-空气电池中的应用。具体研究内容如下:（1）提出一种简便且低成本的策略来合成锚定在多孔氮掺杂碳上的Co5.47N/Co3Fe7异质结构(Co5.47N/Co3Fe7/NC)。由于其特殊的异质界面结构,所制备的Co5.47N/Co3Fe7/NC催化剂对ORR和OER过程表现出显着的催化活性和长期耐久性。Co5.47N/Co3Fe7/NC的ORR半波电位(E1/2)达到0.89 V,优于碱性条件下20%Pt/C。OER过电位(Ej=10)为379 m V,与Ir O2相当。催化剂的电位差ΔE(ΔE=Ej=10-E1/2)仅为0.719 V,低于已报道的大多数非贵金属双功能催化剂。使用该催化剂作为锌-空气电池的空气阴极,表现出最大功率密度为264 m W cm-2,并在180小时内保持稳定的充放电电压差。这种新型材料的出现为高性能催化剂的设计提供了新的思路。（2）通过二次碳化的方法将CrN锚定在氮掺杂碳基底上,制备出的CrN@Fe/NC催化剂在酸性和碱性溶液中都展现出了较高的活性和稳定性。研究发现,催化剂上的Fe物种提供了良好的催化活性位点,CrN的掺杂为催化剂提供了超长的稳定性。相较于Fe/NC催化剂,CrN负载的CrN@Fe/NC催化剂在稳定性上有特别大的提升。分别在碱性和酸性条件下测试80000 s之后,CrN@Fe/NC催化剂的电流保持率为97.47%和92.76%,远超Fe/NC催化剂和贵金属催化剂。并且该催化剂在应用于碱性锌-空气电池中能保持超过500 h的稳定性。这种新型催化材料的出现为能量转化设备的稳定性设计开辟了新的道路。
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